Rakouský výzkumný tým prokázal lehkou, flexibilní a ultratenkou perovskitovou solární technologii v autonomních dronech o velikosti dlaně. Což ukazuje na stabilitu a potenciál této technologie pro získávání energie. Šampionátový jednosměrný článek ve studii napájel naprázdno 1,15 V a s účinností 20,1 %.
Tým z Johannes Kepler University Linz vyvinul halogenidové perovskitové solární články s tloušťkou menší než 2,5 μm. A se specifickou hustotou FV výkonu 44 W/g a průměrným výkonem 41 W/g. Ty byli schopni integrovat do modulů pro napájení dronů ve stylu kvadrokoptér o velikosti dlaně.
Tato technologie vykazovala slibné výsledky stability v několika standardních testech, stejně jako potenciál energie dostatečný k dobití baterií vozidla. Podrobnosti jejich výzkumu se objevují v „Flexibilních kvazi-2D perovskitových solárních článcích s vysokým specifickým výkonem a zlepšenou stabilitou pro energeticky autonomní drony“. Ten se publikoval v Nature energy.
Velkoplošný fotovoltaický modul studie, který měřil 24 cm2, umožnil autonomní provoz dronu. Ten dosáhl „nad rámec toho, co je možné na jedno nabití baterie. A zároveň tak eliminoval potřebu dokování, nabíjení ukotveného v síti nebo jiné formy lidské účasti“. Perovskitové solární moduly přispěly pouze 1/400 celkové hmotnosti dronu.
Autonomní provoz dronu
Skupina testovala několik kombinací alfa-methylbenzyl amonium jodidu (MBA) ve vrchní vrstvě perovskitového absorbéru. Přičemž PEDOT:PSS kombinují transport díry a funkce elektrody. Nejdelší životnost různých formulací MBA zahrnovala cesium (Cs). Což podle výzkumníků naznačuje „snížení neradiativních rekombinačních drah v důsledku přítomnosti MBA a Cs“.
Substrátem dronu byla „ultratenká“ a průhledná, vodivá a bezoxidová 1,4 μm silná polymerová fólie potažená vrstvou 100 nm oxidu hlinitého. Účinně sloužil jako „bariéra“ proti vlhkosti a plynům.
„Tento typ zařízení nemá prostor pro typické zapouzdřovací přístupy, které jsou prostě příliš tlusté. Místo toho se tým spoléhal na to, že horní vrstva perovskitu MBA se tvoří velkými, objemnými krystaly, aby účinně pasivovala povrch. A pro substrát slouží vrstva oxidu hlinitého aplikovaná nástrojem nanášení atomické vrstvy (ALD) k ochraně před vnějšími podmínkami. Ale přesto musí zůstat lehký a flexibilní,“ řekl vedoucí výzkumu Martin Kaltenbrunner.
Rychlost prostupu vodní páry (WVTR) „potaženého ultratenkého substrátu se naměřila asi o 35 % nižší“ ve srovnání s referenčními návrhy. Těmi byly zařízení s jodidem methylamonným olovnatým (MAPbI3).
Mezi další vlastnosti perovskitového článku patří vrstva pro přenos elektronů vyrobená z methylesteru kyseliny fenyl-C61-máselné (PCBM) s mezivrstvou oxidu titaničitého a kovový horní kontakt, na který skupina poukázala, že se může zaměnit zlatem, chrómem nebo levným hliníkem.
„V našem výzkumu perovskitů se jeví důležité používat prekurzory, které se syntetizují v co nejmenším počtu kroků. Přímá syntéza je klíčová, protože chceme, aby technologie dronu byla škálovatelná a udržela náklady na výrobu materiálu pod kontrolou,“ řekl Kaltenbrunner.
Od buněk k modulu
Maloplošný perovskitový solární článek studie naměřil 0,1 cm2 s otevřeným obvodem 1,13 V, hustotou zkratového proudu 21,6 mA cm-2, faktorem plnění 74,3 % a účinností přeměny energie 18,1 %. Šampionské články dosáhly napětí naprázdno 1,15 V, faktor plnění 78 % a účinnost 20,1 %.
Větší zařízení mělo aktivní plochu článku 1,0 cm2, střední napětí naprázdno 1,11 V, hustotu zkratu 20,0 mA cm-2, faktor plnění 65,9 % a účinnost 14,7. Šampionát dosáhl účinnosti 16,3 %, uvedl výzkumný tým.
Modul pro napájení dronu měl 24 propojených solárních článků o velikosti 1 cm2. Energeticky autonomní hybridní solární komerčně dostupný dron typu kvadrokoptéry vážil pouhých 13 g.
Testovala se stabilita a dlouhodobá venkovní provozuschopnost. Například malé i velkoplošné nezapouzdřené solární články si po 50 hodinách nepřetržitého sledování maximálního bodu výkonu (MPPT) v okolním vzduchu udržely 90 % a 74 % počátečního výkonu. Kromě toho externí laboratoř potvrdila výkon a vlastnosti perovskitové kompozice.
Napájení dronu pomocí 24 propojených solárních článků
Tým tvrdil, že prokázal „širší výhody použití kvazi-2D perovskitové aktivní vrstvy“ a že překonává „jiné kompozice v této oblasti“. A dodal, že výkon, stabilita a použitelnost ultralehké perovskitové solární technologie je jak „přenosné a nákladově efektivní řešení udržitelného získávání energie“.
Jako systém nabíjení dronů je to krok na cestě k „vývoji vozidel s trvalým provozem“ pro letecké i pozemní aplikace, tvrdí.
Tým má v tomto směru plány na další výzkum. „Budeme pokračovat v práci na vývoji technologie bariérového substrátu AlOx, škálovatelných depozičních technikách a na rozšíření na ještě větší moduly o rozměrech alespoň 10 cm x 10 cm. Zaměřujeme se na vývoj lehkých, flexibilních fotovoltaických řešení pro pohon všech druhů robotiky a autonomních vozidel,“ řekl Kaltenbrunner. ,,Existuje velký potenciál pro nasazení, flexibilní solární fotovoltaiku v pozemských i vesmírných aplikacích.“
Zdroj: pv-magazine, TowPoint
